Carbon Nanotube Interconnects for End-of-Roadmap Semiconductor Technology Nodes

Advances in semiconductor technology due to aggressive downward scaling of on-chip feature sizes have led to rapid rises in resistivity and current density of interconnect conductors. As a result, current interconnect materials, Cu and W, are subject to performance and reliability constraints approaching or exceeding their physical limits. Therefore, alternative materials such as nanocarbons, metal silicides, and Ag nanowires are actively considered as potential replacements to meet such constraints. Among nanocarbons, carbon nanotube (CNT) is among the leading replacement candidate for on-chip interconnect vias due to its high aspect-ratio nanostructure and superior currentcarrying capacity to those of Cu, W, and other potential candidates. However, contact resistance of CNT with metal is a major bottleneck in device functionalization. To meet the challenge posed by contact resistance, several techniques are designed and implemented. First, the via fabrication and CNT growth processes are developed to increase the CNT packing density inside via and to ensure no CNT growth on via sidewalls. CNT vias with cross-sections down to 40 nm 40 nm are fabricated, which have linewidths similar to those used for on-chip interconnects in current integrated circuit manufacturing technology nodes. Then the via top contact is metallized to increase the total CNT area interfacing with the contact metal and to improve the contact quality and reproducibility. Current-voltage characteristics of individual fabricated CNT vias are measured using a nanoprober and contact resistance is extracted with a first-reported contact resistance extraction scheme for 40 nm linewidth. Based on results for 40 nm and 60 nm top-contact metallized CNT vias, we demonstrate that not only are their current-carrying capacities two orders of magnitude higher than their Cu and W counterparts, they are enhanced by reduced via resistance due to contact engineering. While the current-carrying capacities well exceed those projected for end-of-roadmap technology nodes, the via resistances remain a challenge to replace Cu and W, though our results suggest that further innovations in contact engineering could begin to overcome such challenge

Effect of Electrostatic Discharge on Electrical Characteristics of Discrete Electronic Components

This article reports on preliminary results of a study conducted to examine how temporary electrical overstress seed fault conditions in discrete power electronic components that cannot be detected with reliability tests but impact longevity of the device. These defects do not result in formal parametric failures per datasheet specifications, but result in substantial change in the electrical characteristics when compared with pristine device parameters. Tests were carried out on commercially available 600V IGBT devices using transmission line pulse (TLP) and system level ESD stress. It was hypothesized that the ESD causes local damage during the ESD discharge which may greatly accelerate degradation mechanisms and thus reduce the life of the components. This hypothesis was explored in simulation studies where different types of damage were imposed to different parts of the device. Experimental results agree qualitatively with the simulation for a number of tests which will motivate more in-depth modeling of the damage

Focused ion beam-based microfabrication of boron-doped diamond single-crystal tip cantilevers for electrical and mechanical scanning probe microscopy

In this paper, the fabrication process and electromechanical properties of novel atomic force microscopy probes utilising single-crystal boron-doped diamond are presented. The developed probes integrate scanning tips made of chemical vapour deposition-grown, freestanding diamond foil. The fabrication procedure was performed using nanomanipulation techniques combined with scanning electron microscopy and focused ion beam technologies. The mechanical properties of the cantilever were monitored by the measurement of thermally induced vibration of the cantilever after every fabrication step, allowing the mass changes in range of ng to be estimated. The endurance of the developed probes was tested during hundreds of topography measurements, which corresponds to a scanning length equal to 13.6 m, performed on a test sample in contact and lateral force microscopy modes. Analysis of the roughness parameters confirmed the extremely high wear resistance of the fabricated probes. The linear current voltage response on a highly-oriented pyrolytic graphite sample was recorded

Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

ME-EM 2008 Annual Report

Table of Contents Engineering Education Students Alumni Resources Graduates Publications ME-EM Communityhttps://digitalcommons.mtu.edu/mechanical-annualreports/1010/thumbnail.jp

Gas sensing with carbon nanotube networks

PhDCarbon nanotubes are an exciting new material with exemplary mechanical and electronic properties. Carbon nanotubes can be either metallic or semiconducting; either type has properties which rival conventional materials. The one-dimensional electronic nature of these materials leads to extreme sensitivity to the local energy landscape, a desirable property for a sensing element. Production of carbon nanotubes currently has no method of growing nanotubes with a speci c electronic property, any di erentiation occurs through processing a heterogenous ensemble. Recently, networks of carbon nanotubes have shown attractive properties for electronic applications. The self-selecting current path has properties averaged from the ensemble of nanotubes providing repeatability in addition to exibility and transparency. This thesis is a study of the transport properties of thin and thick networks of single-walled carbon nanotubes and their electrical response to oxygen adsorption in both a simple resistive geometry and as the gate layer in a nanotube-metal-oxide-silicon capacitor. The thickness of network was found to determine the electrical characteristics of the network ensemble, thin networks displaying semiconducting transport characteristics, thick networks becoming more metallic. The response of the nanotube networks to oxygen exposure was found to be dependent on UV treatment. UV-desorbed networks exhibited an increased conductance upon oxygen-exposure, adsorbed networks exhibited a decrease in conductance upon further oxygen-exposure. Thinner, more semiconducting nanotube networks exhibited a greater change in conductance upon oxygen exposure. The nanotube-metal-oxide-semiconductor capacitor also showed a greater change in at-band capacitance for thin nanotube networks. The capacitance of the nanotube device at the nanotube network at-band voltage is shown to be in uenced by both oxygen and nitrogen gases. The origin of the behaviour of the at-band voltage is attempted to be understood and future work is suggested.

Fabrication, characterization and analysis of carbon nanotube based nanoelectromechanical system

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Formation and modification of Ag atomic point contacts

There is the hope that Molecular electronics would enable the fabrication of ultra-small sized functional molecular circuits. However, since this is currently not easily possible using the conventional Si technology, this branch of nano-technology requires significant understanding of the various physical processes that take place on the atomic scale which are governed by quantum mechanical principles. Quantum mechanics introduces uncertainties in the behaviour and, therefore, the investigation of atomic and molecular junctions is not very straightforward. Many approaches have been developed to fabricate such junctions in a reliable way, but nevertheless, there still exists a lack of reproducibility amongst measurements. Similarly, along with the increasing miniaturisation demands, not only smaller circuits are desired, but their efficiency and performance also suffers from the increased current densities and local heating. Therefore, while investigating atomic/molecular junctions the approach within this thesis was two-fold: (a) better understanding of the mechanism of electromigration (EM) within nano-structures and (b) fabrication of reproducible atomic point contacts using EM in ultra-thin Ag structures. In this thesis, an unique set-up consisting of a 4-tip SEM/STM UHV chamber was used to perform EM measurements on nano-structures. Multiple Ag nano-structures were fabricated on a Si substrate using a two-step lithography process and presence of the in-situ SEM enabled easy navigation from one nano-structure to the other. The tips were used for contacting the structures and a feedback controlled electromigration (FCE) mechanism was used to control the voltage between them during the EM process. Significant effort was devoted on the development and integration of the EM set-up within the 4-tip SEM/STM UHV chamber in order to establish an in-situ fabrication and characterisation technique of atomic/molecular junctions. Ag bow-tie shaped structures with a centre width between 100 - 200nm were investigated at lN2 temperatures and the in-situ characterisation of the structures was performed before and after EM. Ultra-thin Ag structures deposited on Si exhibited a granular nature with an average grain size of Ag grains between 30 - 40 nm. Therefore, the smallest constriction consisted of more than one grain, which when subjected to EM, led to a complex structure formation. It was observed from the conductance curves that even though these structures depict conductance quantisation while thinning during EM, they could not be re-used for repeatable opening and closing of atomic junctions. This observation led to the conclusion that in order to fabricate reproducible atomic junctions, structure widths below the size of one single grain must be used. To reduce the centre widths below 30 nm, focused ion beam (FIB) patterning was employed, to reliably shape the centre constriction to widths below 20 nm. This extra nano-structuring step allowed precise in-situ local control on the morphology of the structures, which served as a step forward in defining the geometry of the atomic junctions and also improved the reproducibility of the EM technique. EM on these structures produced very well defined conductance plateaus which could be re-opened multiple times, suggesting that atomically precise metallic point contacts were generated. Hence, this dissertation addresses one of the very complex issues in molecular electronics i.e. reproducible fabrication of atomic contacts. Furthermore, CO molecule(s) were adsorbed on these point contacts. Being one of the very simple asymmetric molecules, CO served as a good candidate to understand the role of chemisorption on such junctions. Time-resolved current measurements showed bi-stabilities that were dependent on bias voltages. Conductance could be reproducibly changed between two states just by changing the operating voltage suggesting even the simplest molecular junction possesses the capability to function as switches, or memory devices. In the present case, the exact mechanism behind this behaviour has not been completely comprehended, but few possibilities have been outlined. Hence, this thesis also provides intriguing results on electrical properties of chemisorbed Ag atomic contacts

DEVELOPING NANOPORE ELECTROMECHANICAL SENSORS WITH TRANSVERSE ELECTRODES FOR THE STUDY OF NANOPARTICLES/BIOMOLECULES

This study concerns development of a technology of utilizing metallic nanowires for a sensing element in nanofluidic single molecular (nanoparticle) sensors formed in plastic substrates to detect the translocation of single molecules through the nanochannel. We aimed to develop nanofluidic single molecular sensors in plastic substrates due to their scalability towards high through and low cost manufacturing for point-of-care applications. Despite significant research efforts recently on the technologies and applications of nanowires, using individual nanowires as electric sensing element in nanofluidic bioanalytic devices has not been realized yet. This dissertation work tackles several technical challenges involved in this development, which include reduction of nanowire agglomerates in the deposition of individual nanowires on a substrate, large scale alignment/assembly of metallic nanowires, placement of single nanowires on microelectrodes, characterization of electrical conductance of single nanowire, bonding of a cover plate to a substrate with patterned microelectrodes and nanowire electrodes. Overcoming the abovementioned challenges, we finally demonstrated a nanofluidic sensor with an in-plane nanowire electrode in poly(methyl methacrylate) substrates for sensing single biomolecules. In the first part of this study, we developed the processes for separation and large-scale assembly of individual NiFeCo nanowires grown using an electrodeposition process inside a porous alumina template. A method to fabricate microelectrode patterns on plastic substrates using flexible stencil masks was developed. We studied electrical and magnetic properties of new composite core-shell nanowires by measuring the electrical transport through individual nanowires. The core-shell nanowires were composed of a mechanically stable FeNiCo core and an ultrathin shell of a highly conductive Au gold (FeNiCo-Au nanowires). In the second part of this study, we simulated the effects of the nanopore geometry on the current drop signal of the translocation through a nanopore via finite element method using COMSOL. Using the above techniques, we developed for the fabrication and alignment of the microelectrodes and nanowires, we studied the optimum conditions to integrate the transverse nanoelectrode with the nanochannel on plastic substrates. The main challenge was to find the conditions to embed the micro-/nanoelectrodes into the nanochannel substrate as well as the nanochannel cover sheet

Electronic transport in quasi-1D atomic wires

Durch selbstorganisiertes Wachstum entstandene atomare Drähte sind Prototypen von 1D-Systemen zum Studium grundlegender Aspekte, z.B. CDW, Peierls Instabilitäten, oder der Übergang von einem Fermi- zu einem Luttinger Flüssigkeitsverhalten. Darüber hinaus könnten die besonderen Wechselwirkungen zwischen Ladung, Spin und Gitter zu interessanten Anwendungen in zukünftigen nanoelektronischen Geräten führen. In dieser Arbeit werden drei stark diskutierte atomare Drahtsysteme analysiert mittels eines 4-Spitzen STM/SEM Systems. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die In/Si(111)-(4x1) Rekonstruktion, die als Vergleichssystem zum Verständnis von 1D atomaren Kettensystemen dient. Das System zeigt ein stark anisotropes Transportverhalten und einen temperaturabhängigen MIT. Obwohl das System seit zwei Jahrzehnten intensiv untersucht wird, gibt es immer noch offene Fragen, z.B. die Wirkung von durch Adsorption (z.B. Sauerstoff) induzierten Defekten auf den MIT. Es stellt sich heraus, dass die Empfindlichkeit gegenüber Defekten eine Größenordnung erhöht werden kann, wenn die Transportexperimente in endlich begrenzten Gebieten durchgeführt werden. Darüber hinaus zeigt sich in sauerstoffadsorptionsabhängigen Transportmessungen nicht nur eine Reduktion der Leitfähigkeit entlang der Richtung der Atomketten, sondern auch eine Abnahme in der senkrecht Richtung. Über dieses wurde noch nicht vorher berichtet und deutet auf eine effektive interwire Kopplung zwischen den Ketten in Übereinstimmung mit zusätzlichen DFT-Berechnungen hin. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf Au-induzierte Drahtstrukturen auf Si(hhk)-Substraten. Diese Strukturen haben kürzlich eine große Aufmerksamkeit auf sich gezogen wegen ihrer ausgeprägten magnetischen Ordnung, die eine 2D Quanten-Spin-Flüssigkeit nachbildet. Die Si(553)-Au und Si(557)-Au Oberflächen werden sorgfältig während der in-situ Adsorption von molekularen Sauerstoff analysiert. Hierbei wird der Transport in Kombination mit LEED und DFT-Berechnungen in Bezug auf die verschiedenen Strukturbausteinen (Au-Ketten, Si-Adatom-Kette, Si-HC-Kante) diskutiert. Es zeigt sich, dass der Ursprung für die metallischen Oberflächenbänder entlang der Drähte unterschiedlicher Natur ist. Während die Si(553)-Au Oberfläche immun gegenüber Sauerstoffadsorption ist, zeigt die Si(557)-Au eine starke Abnahme der Leitfähigkeit entlang der Ketten. Zusätzlich wurde der MIT dieser Systeme untersucht. Hierbei wurde ein besonderer Fokus auf die Si(553)-Au Rekonstruktion gesetzt. Innerhalb einer LEED Messung zeigt sich, dass die x3-Periodizität einen strukturellen Phasenübergang bei TC=100 K besitzt, d.h. dass die Periodizität entlang der Ketten verschwindet. Im Gegensatz hierzu zeigen die Transportdaten eine Restleitfähigkeit entlang der Ketten unterhalb TC, welches einen MIT assoziiert mit der x3-Rekonstruktion ausschließt. Der letzte Teil der Arbeit analysiert die Transporteigenschaften von TbSi2-Nanodrähten, die auf vicinalem Si(001)-Substrat gewachsen wurden. Selteneerden-Silizid-Nanodrähte sind im allgemeinen sehr vielversprechend für die Industrie für eine weitere Herunterskalierung Si-basierten Verbindungen innerhalb der CMOS-Technologie, da die Drähte sehr lang (mehrere µm) und extrem dünn (wenige nm) gewachsen werden können. Eine kombinierte STM- und Transportstudie zeigt, dass der spezifische Widerstand stark abhängig ist von der Höhe der Drähte und dieser erhöht ist für kleine Höhen. Die Daten können durch ein theoretisches quasi-klassisches Modell unter Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit und der lateralen Oberflächenkorrelation beschrieben werden